CN106546654B - 用于金属腐蚀监测的传感器 - Google Patents

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Abstract

用于金属腐蚀监测的新型传感器，包括供电模块、MCU控制模块和腐蚀监测模块；供电模块用于向MCU控制模块和腐蚀监测模块供电；MCU控制模块用于对腐蚀监测模块进行控制，并对来自腐蚀监测模块的信息进行分析处理；腐蚀监测模块用于对待测金属的腐蚀状况进行监测，并将数据实时上传到MCU控制模块。本发明为非接触式测量，可以完成金属腐蚀程度的短期预估和长期监测。经测试，本发明传感器具有可与昂贵且体积较大的台式恒电位仪相比的性能，可提升金属尤其是钢铁材料腐蚀程度的监测能力。

Description

用于金属腐蚀监测的传感器
技术领域
本发明涉及金属腐蚀监测领域，更具体的说是涉及一种用于金属腐蚀监测的传感器。
背景技术
钢筋混凝土结构是现今及以后相当长的时间内仍将采用的主要结构形式之一，钢筋腐蚀是引起钢混结构耐久性降低的最主要原因。美国国家材料顾问委员会调查表明，近253000座混凝土桥面板出现严重腐蚀现象；日本约有21.4％的钢筋混凝土结构损坏是由钢筋腐蚀引起的；我国2002年底仅公路危桥就达9597座，而耗资4000万元的山东某汽车站，更是在建成5年后的2009年即成危楼，究其原因，钢筋锈蚀是罪魁祸首。为此，对金属锈蚀的监测势在必行。
申请号201610538967.4，公开号106018253A《一种多功能地下混凝土结构腐蚀损伤监测装置》提出一种多功能地下混凝土结构腐蚀损伤监测装置，主要监测的是金属周边的环境变量如温度、pH值和应变值，通过对这些环境变量再进一步去估计腐蚀程度。这种装置主要监测混凝土腐蚀状况，无法准确监测钢筋构件的腐蚀程度。申请号201210520336.1，公开号103018299A《电偶型腐蚀传感器》提出了一种电偶型腐蚀传感器，所采用的测量方式是直接测取微弱的腐蚀电流。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种能对腐蚀程度准确评估的用于金属腐蚀监测的传感器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
用于金属腐蚀监测的传感器，包括供电模块、MCU控制模块和腐蚀监测模块；所述供电模块用于向MCU控制模块和腐蚀监测模块供电；MCU控制模块和腐蚀监测模块双向连接；所述MCU控制模块用于对腐蚀监测模块进行控制，并对来自腐蚀监测模块的信息进行分析处理；所述腐蚀监测模块用于对待测金属的腐蚀状况进行监测，并将数据实时上传到MCU控制模块。
进一步，所述腐蚀监测模块包括DAC模块、对电极、参考电极、工作电极、1号运算放大器、2号运算放大器、低偏移零漂移放大器、控制开关、电容和电阻。
所述DAC模块具有两个输入端和一个输出端；所述1号运算放大器、2号运算放大器和低偏移零漂移放大器都具有一个正向输入端、一个反向输入端和一个输出端；
所述DAC模块的两个输入端分别与MCU控制模块的数字输出引脚SCLK和DOUT连接，DAC模块的输出端与1号运算放大器的正向输入端连接；
所述DAC模块用于将来自MCU控制模块的数字信号转换为模拟电压信号，使得MCU控制模块能够输出稳定的电压；
所述1号运算放大器的正向输入端与DAC模块的输出端连接，1号运算放大器的反向输入端同时与低偏移零漂移放大器的正向输入端和参考电极连接，1号运算放大器的输出端与控制开关连接；
所述1号运算放大器用于保证其正向输入端和反向输入端的电压相等，在控制开关闭合时，作为恒流源工作；
所述控制开关的一端与1号运算放大器的输出端连接，另一端与对电极连接，其通过MCU控制模块控制通断；
所述2号运算放大器的正向输入端与MCU控制模块模拟输出引脚A2连接，2号运算放大器的反向输入端同时与电阻、电容、工作电极连接，2号运算放大器的输出端与电阻的另一端、电容的另一端和MCU控制模块的模拟输入引脚A3连接；
所述2号运算放大器用于保证其正向输入端和反向输入端的电压相等，并输出稳定的电压作为线性极化测量中的重要参数；
所述低偏移零漂移放大器的正向输入端与1号运算放大器反向输入端连接，低偏移零漂移放大器的反向输入端与低偏移零漂移放大器的输出端连接，低偏移零漂移放大器的输出端还与MCU控制模块的模拟输入引脚A1连接；
所述低偏移零漂移放大器用于将参考电极与MCU控制模块隔离开，并向MCU控制模块输入参考电极的电位值；
所述电容(与电阻并联)用于滤除线性极化读数中的高频噪声；
所述电阻用于在测量线性极化曲线时，通过测量电阻两侧的电压计算获得流过电阻的电流值。
所述对电极的电极材料使用耐腐蚀的导电材料；
所述参考电极的电极材料使用银-氯化银复合材料；
所述工作电极的电极材料使用待测金属样本。
进一步，所述1号运算放大器、2号运算放大器、低偏移零漂移放大器、DAC模块和控制开关构成一个三电极恒电位仪，其工作方式受MCU控制模块控制，具体工作方式下：
(1)控制开关闭合时，MCU控制模块通过数字输出引脚SCLK和DOUT控制DAC模块，再经过1号运算放大器的正向输入端控制对电极；
(2)控制开关断开时，参考电极的电位值，通过低偏移零漂移放大器的正向输入端，传送到MCU控制模块的模拟输入引脚A1；
(3)工作电极的电位值经过并联的电容、电阻和2号运算放大器后输入MCU控制模块的模拟输入引脚A3。
(4)MCU控制模块的模拟输出引脚A2输出电压到2号运算放大器的正向输入端。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明通过直接在电极上施加确定的电压，并对测量到的各个参量进行精确化计算，最终得到对腐蚀程度的准确有效的评估。
(2)本发明能够对金属腐蚀程度进行短期预估和长期监测，并能够在两种模式间实现软切换。通过测量开路电位OCP估测当前金属的腐蚀程度，通过长期测量线性极化曲线实现了金属腐蚀程度的长期监测。
本发明为非接触式测量，经测试，本发明传感器具有可与昂贵且体积较大的台式恒电位仪相媲美的性能，可提升金属尤其是钢铁材料腐蚀程度的监测能力。
附图说明
图1为本发明用于金属腐蚀监测的传感器的结构示意图；
图2为图1所示实施例中的监测金属腐蚀的传感器的功能示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明之用于金属腐蚀监测的传感器，包括供电模块U1、MCU控制模块U2和腐蚀监测模块U3；供电模块U1用于向MCU控制模块U2和腐蚀监测模块U3供电；MCU控制模块U2用于对腐蚀监测模块U3进行控制，并对来自腐蚀监测模块U3的信息进行分析处理；腐蚀监测模块U3用于对待测金属的腐蚀状况进行监测，并将数据实时上传到MCU控制模块U2。
参照图2，腐蚀监测模块包括DAC模块U30、对电极U31、参考电极U32、工作电极U33、1号运算放大器U34、2号运算放大器U35、低偏移零漂移放大器U36、控制开关U37、电阻U38和电容U39。
所述DAC模块U30具有两个输入端和一个输出端；所述1号运算放大器U34，2号运算放大器U35和低偏移零漂移放大器U36都具有一个正向输入端、一个反向输入端和一个输出端；
所述DAC模块U30两个输入端分别与MCU控制模块U2的数字输出引脚SCLK和DOUT连接，输出端与1号运算放大器U34的正向输入端连接；
所述DAC模块U30用于将来自MCU控制模块U2的数字信号转换为模拟电压信号，使得MCU控制模块U2能够在电极上输出稳定的电压；
所述1号运算放大器U34的正向输入端与DAC模块U30的输出端连接，反向输入端同时与低偏移零漂移放大器U36的正向输入端和参考电极U32连接，输出端与控制开关U37连接；
所述1号运算放大器U34用于保证其正向输入端和反向输入端的电压相等，在控制开关U37闭合时，作为恒流源工作；
所述控制开关U37的一端与1号运算放大器U34的输出端连接，另一端与对电极U31连接，其通过MCU控制模块U2控制通断；
所述2号运算放大器U35的正向输入端与MCU控制模块U2模拟输出引脚A2连接，反向输入端同时与电阻U38、电容U39、工作电极U33连接，输出端与电阻U38的另一端、电容U39的另一端和MCU控制模块U2的模拟输入引脚A3连接；
所述2号运算放大器U35用于保证其正向输入端和反向输入端的电压相等，并输出稳定的电压作为线性极化测量中的重要参数；
所述低偏移零漂移放大器U36的正向输入端与1号运算放大器U34反向输入端连接，反向输入端与其输出端连接，输出端与MCU控制模块U2的模拟输入引脚A1连接；
所述低偏移零漂移放大器U36用于将参考电极U32与MCU控制模块U2隔离开，并向MCU控制模块U2输入参考电极U32的电位值；
所述电容U39(与电阻U38并联)用于滤除线性极化读数中的高频噪声；
所述电阻U38用于在测量线性极化曲线时，通过测量电阻U38两侧的电压计算获得流过电阻U38的电流值。
所述对电极U31的电极材料使用耐腐蚀的导电材料；
所述参考电极U32的电极材料使用银-氯化银复合材料；
所述工作电极U33的电极材料使用待测金属样本；
进一步，所述1号运算放大器U34、2号运算放大器U35、低偏移零漂移放大器U36、DAC模块U30和控制开关U37构成一个三电极恒电位仪，其工作方式受MCU控制模块U2控制，具体工作方式下：
(1)控制开关U37闭合时，MCU控制模块U2通过数字输出引脚SCLK和DOUT控制DAC模块U30，再经过1号运算放大器U34的正向输入端控制对电极U31；
(2)控制开关U37断开时，参考电极U32的电位值，通过低偏移零漂移放大器U36的正向输入端，传送到MCU控制模块U2的模拟输入引脚A1；
(3)工作电极U33的电位值经过并联的电阻U38、电容U39和2号运算放大器U35后输入MCU控制模块U2的模拟输入引脚A3。
(4)MCU控制模块U2的模拟输出引脚A2输出电压到2号运算放大器U35的正向输入端。
使用本发明之用于金属腐蚀监测的传感器进行腐蚀监测的测量步骤为：
1.测量腐蚀电势差OCP
通过MCU控制模块U2断开控制开关U37，并通过模拟输出引脚A2输出参考电位VREF＝1.5V。参考电极U32的电位VRE通过低偏移零漂移放大器U36隔离后，送到MCU控制模块U2的模拟输入引脚A1。由于2号运算放大器U35正反向输入端虚拟短接，故VREF＝VWE，又因为OCP＝VRE-VWE，由此获得腐蚀电势差OCP＝VRE-VREF。其中VWE表示工作电极的电位，VRE表示参考电极的电位。
2.测量线性极化曲线并计算材料每单位时间减少的厚度(Δs/Δt)
MCU控制模块U2闭合控制开关U37，并通过模拟输出引脚A2输出参考电位VREF＝1.5V。通过编程使得MCU控制模块U2能够通过数字输出引脚SCLK和DOUT，控制DAC模块U30的输出VDAC使得满足：
当控制条件ramp＝up时，VDAC＝OCP-20mV；
当控制条件ramp＝down时，VDAC＝OCP+20mV；
变化的参数ramp控制着线性极化测量的方向。当ramp＝up时，VDAC从(OCP-20mV)上升到(OCP+20mV)。当ramp＝down时，VDAC从(OCP+20mV)下降到(OCP-20mV)。在这个变化过程中，2号运算放大器U35的输出电压VOA2始终在被MCU控制模块U2的模拟输入引脚A3读取。
具体计算方法如下：
腐蚀电池电流
其中，VWE＝VREF＝1.5V，电阻U38的阻值R已知，故腐蚀电池电流ICELL可以计算得出。
腐蚀电池电势差ECELL＝VWE-VRE；
其中，VWE＝VREF＝1.5V，根据1号运算放大器正反向输入端虚拟短路，VDAC＝VRE,故腐蚀电池电势差ECELL可计算得出。
当ECELL＝EOC时，即在线性极化曲线的零点，有零点电阻RP，计算公式如下：
由公式(1)可得腐蚀电流Icorr。
其中，EOC表示步骤1中测得的腐蚀电势差OCP，△Ecell表示线性极化曲线中任意两点腐蚀电池电势差的差值，△Icell表示线性极化曲线中任意两点腐蚀电池电流的差值，βa表示阳极反应的塔菲尔常数，βc阴极反应的塔菲尔常数，Icorr表示腐蚀电池电流。
在腐蚀监测的重要之处在于计算材料每单位时间减少的厚度(Δs/Δt)。厚度的减小速度可以根据法拉第方程来确定：
其中，M是金属的摩尔质量，A是工作电极的面积，z是在阳极反应的反应方程中的电子数(每个溶解金属的原子)，ρ是金属的密度，这些参数均可提前获得。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.用于金属腐蚀监测的传感器，其特征在于，包括供电模块、MCU控制模块和腐蚀监测模块，
所述供电模块用于向MCU控制模块和腐蚀监测模块供电；
MCU控制模块和腐蚀监测模块双向连接；所述MCU控制模块用于对腐蚀监测模块进行控制，并对来自腐蚀监测模块的信息进行分析处理；
所述腐蚀监测模块用于对待测金属的腐蚀状况进行监测，并将数据实时上传到MCU控制模块；
所述腐蚀监测模块包括DAC模块、对电极、参考电极、工作电极、1号运算放大器、2号运算放大器、低偏移零漂移放大器、控制开关、电容和电阻；
所述DAC模块具有两个输入端和一个输出端；所述1号运算放大器，2号运算放大器和低偏移零漂移放大器都具有一个正向输入端、一个反向输入端和一个输出端；
所述DAC模块的两个输入端分别与MCU控制模块的数字输出引脚SCLK和DOUT连接，DAC模块的输出端与1号运算放大器的正向输入端连接；
所述DAC模块用于将来自MCU控制模块的数字信号转换为模拟电压信号，使得MCU控制模块能够输出稳定的电压；
所述1号运算放大器的正向输入端与DAC模块的输出端连接，1号运算放大器的反向输入端同时与低偏移零漂移放大器的正向输入端和参考电极连接，1号运算放大器的输出端与控制开关连接；
所述1号运算放大器用于保证其正向输入端和反向输入端的电压相等，在控制开关闭合时，作为恒流源工作；
所述控制开关的一端与1号运算放大器的输出端连接，另一端与对电极连接，其通过MCU控制模块控制通断；
所述2号运算放大器的正向输入端与MCU控制模块模拟输出引脚A2连接，2号运算放大器的反向输入端同时与电阻、电容、工作电极连接，2号运算放大器的输出端与电阻的另一端、电容的另一端和MCU控制模块的模拟输入引脚A3连接；
所述2号运算放大器用于保证其正向输入端和反向输入端的电压相等，并输出稳定的电压作为线性极化测量中的重要参数；
所述低偏移零漂移放大器的正向输入端与1号运算放大器反向输入端连接，低偏移零漂移放大器的反向输入端与低偏移零漂移放大器的输出端连接，低偏移零漂移放大器的输出端还与MCU控制模块的模拟输入引脚A1连接；
所述低偏移零漂移放大器用于将参考电极与MCU控制模块隔离开，并向MCU控制模块输入参考电极的电位值；
所述电容用于滤除线性极化读数中的高频噪声；
所述电阻用于在测量线性极化曲线时，通过测量电阻两侧的电压计算获得流过电阻的电流值；
所述对电极的电极材料使用耐腐蚀的导电材料；
所述参考电极的电极材料使用银-氯化银复合材料；
所述工作电极的电极材料使用待测金属样本。
2.根据权利要求1所述的用于金属腐蚀监测的传感器，其特征在于，所述1号运算放大器、2号运算放大器、低偏移零漂移放大器、DAC模块和控制开关构成一个三电极恒电位仪，其工作方式受MCU控制模块控制，具体工作如下：
（1）控制开关闭合时， MCU控制模块通过数字输出引脚SCLK和DOUT控制DAC模块，再经过1号运算放大器的正向输入端控制对电极；
（2）控制开关断开时，参考电极的电位值，通过低偏移零漂移放大器的正向输入端，传送到MCU控制模块的模拟输入引脚A1；
（3）工作电极的电位值经过并联的电阻、电容和2号运算放大器后输入MCU控制模块的模拟输入引脚A3；
（4）MCU控制模块的模拟输出引脚A2输出电压到2号运算放大器的正向输入端。
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